Probing ultrafast-laser inscribed waveguides in Er:LiYF4 via <i>μ</i> -spectroscopy for refractive-index engineering

J Ji Eun Bae (Centre de Recherche sur les Ions, les Matériaux et la Photonique (CIMAP), UMR 6252 CEA-CNRS-ENSICAEN, Université de Caen Normandie 1 , 6 Boulevard Maréchal Juin, 14050 Caen Cedex 4,) P Pavel A. Loiko (Centre de Recherche sur les Ions, les Matériaux et la Photonique (CIMAP), UMR 6252 CEA-CNRS-ENSICAEN, Université de Caen Normandie 1 , 6 Boulevard Maréchal Juin, 14050 Caen Cedex 4,) C Carolina Romero (Grupo de Investigación en Aplicaciones del Láser y Fotónica, University of Salamanca 2 , E-37008 Salamanca,) J Javier R. Vázquez de Aldana (Grupo de Investigación en Aplicaciones del Láser y Fotónica, University of Salamanca 2 , E-37008 Salamanca,) X Xavier Mateos (Física i Cristal·lografia de Materials (FiCMA), Universitat Rovira i Virgili (URV) 3 , 43007 Tarragona,) A Abdelmjid Benayad (Centre de Recherche sur les Ions, les Matériaux et la Photonique (CIMAP), UMR 6252 CEA-CNRS-ENSICAEN, Université de Caen Normandie 1 , 6 Boulevard Maréchal Juin, 14050 Caen Cedex 4,) A Alain Braud (Centre de Recherche sur les Ions, les Matériaux et la Photonique (CIMAP), UMR 6252 CEA-CNRS-ENSICAEN, Université de Caen Normandie 1 , 6 Boulevard Maréchal Juin, 14050 Caen Cedex 4,) P Patrice Camy (Centre de Recherche sur les Ions, les Matériaux et la Photonique (CIMAP), UMR 6252 CEA-CNRS-ENSICAEN, Université de Caen Normandie 1 , 6 Boulevard Maréchal Juin, 14050 Caen Cedex 4,)

Abstract

Ultrafast-laser inscription enables the fabrication of three-dimensional photonic microstructures in laser-active dielectric crystals, yet the interplay between geometry and laser-induced refractive-index changes remains insufficiently quantified. We investigate depressed-cladding waveguides written in a uniaxial Er3+:LiYF4 fluoride crystal using spatially resolved confocal luminescence and Raman spectroscopy with sub-micrometric resolution. The measurements reveal partial amorphization within the irradiated zones, as well as a complex distribution of local stress fields—compressive within the cladding and tensile at the periphery of the core. These stress patterns, and the associated refractive-index modifications, are found to be highly sensitive to the cladding geometry. From the spectroscopic analysis, we estimate a maximum compressive stress of 1 GPa and a refractive-index change of −2.6 × 10−3 for the e-wave within the damage tracks. Complementary differential interference contrast (Nomarski) microscopy yields quantitative maps of stress-induced birefringence, on the order of 10−6—well below the intrinsic birefringence of LiYF4 and therefore not detrimental to the polarization properties of laser waveguides. Based on these findings, we provide design guidelines for optimizing mid-infrared waveguide structures.

Article Details

Volume / Issue Vol. 128, Issue 9
Published March 02, 2026
ISSN 0003-6951
Publisher American Institute of Physics

Journal Info

Applied Physics Letters

American Institute of Physics

ISSN: 0003-6951 Physical Sciences

Authors (8)

J

Ji Eun Bae

Centre de Recherche sur les Ions, les Matériaux et la Photonique (CIMAP), UMR 6252 CEA-CNRS-ENSICAEN, Université de Caen Normandie 1 , 6 Boulevard Maréchal Juin, 14050 Caen Cedex 4,

P

Pavel A. Loiko

Centre de Recherche sur les Ions, les Matériaux et la Photonique (CIMAP), UMR 6252 CEA-CNRS-ENSICAEN, Université de Caen Normandie 1 , 6 Boulevard Maréchal Juin, 14050 Caen Cedex 4,

C

Carolina Romero

Grupo de Investigación en Aplicaciones del Láser y Fotónica, University of Salamanca 2 , E-37008 Salamanca,

J

Javier R. Vázquez de Aldana

Grupo de Investigación en Aplicaciones del Láser y Fotónica, University of Salamanca 2 , E-37008 Salamanca,

X

Xavier Mateos

Física i Cristal·lografia de Materials (FiCMA), Universitat Rovira i Virgili (URV) 3 , 43007 Tarragona,

A

Abdelmjid Benayad

Centre de Recherche sur les Ions, les Matériaux et la Photonique (CIMAP), UMR 6252 CEA-CNRS-ENSICAEN, Université de Caen Normandie 1 , 6 Boulevard Maréchal Juin, 14050 Caen Cedex 4,

A

Alain Braud

Centre de Recherche sur les Ions, les Matériaux et la Photonique (CIMAP), UMR 6252 CEA-CNRS-ENSICAEN, Université de Caen Normandie 1 , 6 Boulevard Maréchal Juin, 14050 Caen Cedex 4,

P

Patrice Camy

Centre de Recherche sur les Ions, les Matériaux et la Photonique (CIMAP), UMR 6252 CEA-CNRS-ENSICAEN, Université de Caen Normandie 1 , 6 Boulevard Maréchal Juin, 14050 Caen Cedex 4,